艰难的选择：空客A320neo的动力之争

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中国的互联网大佬马云曾说过：“工业时代是‘三十年河东，三十年河西’；现在是‘三年河东，三年河西’。”当然，他说的是正在蓬勃发展的互联网创新浪潮，然而在航空工业领域“三十年河东，三十年河西”的定律依然有效，或许这个周期还更长。

　　起始于20世纪80年代的窄体机动力之争，伴随着多年来的技术发展进入了一个全新的阶段。CFM公司和普惠公司分别凭借其“二十年磨一剑”的技术成果开启了未来数十年的新征途。
　　航空发动机一直是工业领域的顶级产品，它的技术进步直接推动了整个航空业的更新换代。直到今年的巴黎航展，全球范围内的主流窄体机已经全面启动下一代的升级工作，在飞机制造商的宣传中，发动机都作为最核心的亮点予以突出。
　　在新一代窄体机中，除了空客A320neo外，波音737MAX，中国商飞C919，巴航工业E-Jet E2、庞巴迪C系列和俄罗斯MS21都只有唯一的发动机供应商。这让两家发动机公司之间的竞争似乎都集中到了空客A320neo这一飞机平台上，而A320neo总计近2500架的庞大订单也给这场动力之争增添了更多火药味。
　　航空发动机厂商在推销产品时，总说自己是最好的，并拿自己的部件与对方比较，用风扇对比风扇，用压气机对比压气机，用涡轮对比涡轮。但多年来的技术积累，让CFM和普惠两个公司选择了两条不同的技术升级路线，每家公司都宣称自己下一代发动机能比现役产品降低15%的油耗，并比竞争对手做得更好，这给购买了A320neo的航空公司出了道难题。
　　选择CFM还是选择普惠，现在是个问题。
CFM：CMC技术是未来
“质疑CMC，是因为不了解CMC”
　　CMC是陶瓷基复合材料（ceramic-matrix composites）的简称，它是一种有陶瓷成分的复合材料，这种材料由大量陶瓷纤维通过某种形式的排列编制而成。据CFM方面介绍， CMC材料的密度是传统金属的1/3，强度是它的两倍，耐高温性能比镍基金属高20%。
　　“因为CMC材料可以耐高温，所以对冷却气流的需求就会减少，”CFM国际公司执行副总裁佘克·沙茹日前在北京对本报记者表示：“这不是一个非常新的技术，只不过Leap发动机将是首次应用该材料的商用航空发动机。”
　　从上世纪80年代中期开始，NASA就已经在研究CMC技术，GE公司多年以来对CMC技术的持续投入和试验，使该公司对CMC未来的发展潜力给予了很高评价，并认为目前CMC材料的技术成熟度已经足以将其应用在航空发动机的核心部件上。众所周知，CFM公司是GE公司和斯奈柯玛公司的合资企业，CFM公司可以分享GE公司在CMC材料上的研究成果。
　　在Leap发动机上，第一级高压涡轮罩环将由CMC材料制成。高压涡轮罩环主要作用是用来控制高压涡轮叶片和发动机机体之间的间隙，它面对的是从发动机燃烧室出来的高温高压气体，是整个发动机工作环境最恶劣的固定部件之一。如果采用传统的镍基合金罩环，由于其耐高温性能不及CMC材料，需要使用额外的高压空气对其进行冷却，而这些冷却空气本来是可以产生推力的。使用CMC材料后，这部分将不需要冷却空气，从而提高了发动机的效率。
　　“我们已经对CMC材料做了数千小时的测试，”GE航空总裁兼CEO大卫·乔伊斯此前在巴黎航展期间表示：“我们不是昨天才把他研制出来，然后立马就把它用在航空发动机上。” 事实上，GE早在2003年就已经将CMC材料用在工业燃气轮机上，过去十年来，CMC材料已经在工业燃气轮机上使用了14000小时。
　　尽管GE方面已经为CMC材料进行了大量测试，但关于CMC材料能否运用到发动机核心部件上的争论依然没有停止。GE航空大中华区总经理向伟明回应道：“我们今后将进一步增加CMC材料的使用范围，竞争对手质疑我们是因为他们没有这项技术。当年我们在GE90发动机上使用宽弦叶片也被广泛质疑，而现在我们用事实证明了自己的选择。”
　　CFM方面表示，先期仅在固定部件上使用CMC材料也是出于风险因素的考量，目前的技术成熟度完全可以满足固定部件的可靠性要求，未来CMC材料还将用在发动机的更多部件上。在记者问到今后Leap发动机的升级方向上，佘克·沙茹简单地答道：“CMC技术。”
　　其实，GE已经开始了相关实验。去年，GE在F414军用发动机上进行了CMC材料涡轮转子叶片的关键性试验。GE方面已明确要将该材料应用到下一代GE9X发动机的第二级高压涡轮转子叶片上。
　　此外，为了应对CMC部件的产能压力，GE正在建设新工厂用以支持CMC部件的生产。乔伊斯透露，GE将在美国北卡罗莱纳州的阿什维尔开设一个工厂为Leap发动机生产CMC部件，这一工厂今后也将为GE9X发动机提供支持。
　　GE已经将CMC作为其未来发展的核心技术之一。就像GE此前将GEnx的新技术应用到CF6发动机上一样，随着CMC技术的进步，该技术也将逐步应用在787和747-8的GEnx上，并在GE和CFM的新一代发动机上得到全面推广。
　　除了CMC技术外，CFM用在Leap发动机上的最新技术还包括三维编织的碳纤维复合材料风扇和风扇机匣，压比为22∶1的高压压气机，其中前5级采用整体叶盘设计以及第二代贫油燃烧室。沙茹表示，CFM公司完成了第三台核心机验证机的测试工作，测试结果显示部件的性能超过预期。
普惠：齿轮只是个支点
“未来GTF发动机还将有20%~30%的升级空间”
　　尽管相比现役的发动机，CFM公司的Leap-1A和普惠公司的PW1100G都大幅增加了风扇尺寸和涵道比，但可以笼统地说，CFM公司把更多精力放在发动机热效率的提高上，普惠公司则更注重提高发动机的推进效率。
　　根据简单的发动机原理，要想降低发动机的耗油率，最直接的办法就是增大风扇尺寸，扩大涵道比，但这也将面临发动机重量增加、飞机阻力增加、风扇设计难度增加以及涡轮转速不匹配等诸多负面因素。为了解决涡轮转速和风扇转速不匹配的问题，普惠利用自己在齿轮技术方面的优势，将齿轮传动装置革命性地引入涡扇发动机，从而极大地提高了发动机的整体效能。
　　普惠方面表示，PW1100G的性能提升有30%来自新增的齿轮装置，由于普惠将齿轮传动技术应用在大型涡扇发动机上，在发动机风扇和低压压气机之间增加了一个1∶3的齿轮箱，在增大低压压气机和低压涡轮转速的同时还能降低风扇的转速，同时提升了这两部分的效率。
　　“所有人都认为我们技术进步仅限于齿轮，事实上，齿轮技术只是帮助我们更好地运用发动机的速度特性，” 普惠公司新一代产品部副总裁鲍勃·赛亚在接受媒体采访表示：“GTF家族的核心机是行业里最好的，它可以提供高达50∶1的总压比。GTF的高压压气机压比为16∶1，比Leap发动机低一些，但由于GTF低压压气机的转速更快，所以低压部分可以提供更高的压比，而且低压涡轮级数也更少。”
　　更高的转速也有助于降低发动机核心机的温度，这将降低发动机部件的维护成本。“PW1100G核心机温度比目前的V2500发动机高，但是显著低于Leap-1A，” 鲍勃·赛亚表示：“要想提高发动机效率，要么选择驱动更多低速空气，要么提高核心机温度，我们认为前者更具性价比。”普惠方面表示，更保守涡轮前温度再加上先进材料以及先进的冷却系统使GTF的高压涡轮冷却气流减少了20%。
　　相比普惠PW1100G发动机上9级高压压气机和3级低压涡轮，Leap-1A发动机则选择了10级高压压气机和7级低压涡轮的设计方案。显然，这会提高发动机重量，并有可能增加维护成本。对此，佘克·沙茹表示：“我们需要综合评估发动机的整体性能，高压压气机增加一级带来了5%的油耗节省，由于需要带动更大的风扇所以低压压气机级数也有所增加，但Leap发动机的核心段尺寸减少了很多，所以整体的重量增幅很小。”此外，得益于新材料技术的应用，CFM方面认为Leap发动机的维护成本将与当前的CFM56发动机保持一致。
　　巴黎航展期间，普惠总裁大卫·汉斯表示，CFM不可能达到其声称的燃油效率和维护成本“除非他们违反物理定律”。LEAP-1A还没开始进行整机测试，“而我们的neo发动机都已经飞上天了，在我们已经完成的认证测试中，燃油效率比预期好0.5%。”
　　日前，佘克·沙茹在北京媒体见面会上表示，Leap-1A发动机在燃油效率方面要比PW1100G发动机高3%。“基于我们的测试结果，在进入服役时，-1A发动机的耗油率将比竞争对手少1%；随着未来的进一步升级，耗油率还将比对手减少1%；在A321neo上，由于航线更长，我们的巡航耗油率还将比对手少1%。”
　　齿轮作为普惠新一代发动机的“支点”已经撬动了整个发动机性能，而齿轮本身的技术状态和可靠性则成为业内关注的焦点之一。普惠方面表示，齿轮传动技术已经经过了20多年的技术积累，技术成熟度已经完全可靠，对航空公司来说是免维护的。“干工程的人都会有疑惑，新增加的机械机构必然带来维护方面的忧虑，大齿轮和小齿轮区别很大，”GE的工作人员对记者表示。
　　与CFM不同，普惠的技术路线图中没有CMC技术，但在齿轮传动、风扇设计以及核心机设计方面将有大幅提升。大卫·汉斯表示，根据普惠已经制定的技术升级路线图，到本世纪20年代中期GTF发动机的燃油效率将比目前水平再提高20%～30%。这一计划涵盖了整个发动机，包括更高效和更轻的风扇叶片和更大传动比的齿轮箱，并计划将发动机总压比提升至60，还有更高效的燃烧室和涡轮冷却系统。
　　“我们曾希望将CMC技术应用在五代机的发动机上，但是那样并不划算，没有什么技术是免费的。”鲍勃·赛亚表示，普惠正在研发其他性能类似的材料，并计划将新材料用在发动机的非核心部件上。我们不用CMC技术也能在20年代中期将发动机效率提高20%~30%。
用订单投票
　　根据CFM方面的统计数据，目前CFM赢得了726架A320neo的发动机订单，普惠赢得了759架。但是，CFM国际公司执行副总裁佘克·沙茹说：“目前，CFM还有一个75架A320neo的新订单没有计算在内，这样的话，我们在A320neo上的市场份额也居于领先地位。”
　　然而，现在仍有超过1/3的A320neo发动机订单尚未宣布，对航空公司来说，进一步了解两款发动机的性能和维护成本则变得至关重要。“很多航空公司准备观察早期进入运营的飞机表现，然后再决定发动机的归属。” 普惠及IAE中国区总裁中野茂秋表示：“普惠PW1100G发动机地面和飞行测试的顺利进展将会对发动机销售带来很多促进作用，这些测试降低了发动机运营时的潜在风险，这很有利于航空公司控制成本。”
　　不管是飞机制造商还是航空公司，他们都希望在飞机进入服役时，发动机已经有了足够的可靠性，这也就迫使发动机制造商更早的确定技术路线，并花费更多时间和金钱用以开发相关技术，甚至是在飞机平台尚未出现前，就已经做好了准备。其实，不管是哪家公司，新一代发动机所采用的核心技术和整体架构都已在多年前确定。
　　为了确保发动机的可靠性，CFM公司和普惠公司都投入了大量精力。CFM公司表示，今后几年CFM公司将生产60台发动机，用于Leap发动机家族三个型号的地面和飞行测试，这些发动机的所有测试时间，累计起来相当于一架飞机在航空公司运营15年。同样的，普惠方面将投入8台发动机用于PW1100G发动机的验证试验。
　　数十年的技术积累和多年的验证试验，让两个发动机公司都志在必得，对航空公司来说，或许任何一种选择都没有错。(飞行总动员航空网）

许愿

不容易！